膳食纤维的基本知识

1、膳食纤维的基本知识一.膳食纤维的基本知识1.1膳食纤维的分类及相关概念1.1.1 膳食纤维的概念膳食纤维是指能抗人体小肠消化吸收，而在人体大肠能部分或全部发酵的可食用的植物性成分、碳水化合物及其相类似物质的总和（美国化学家协会），一般是指不易被消化酶消化的多糖类食物成分，聚合度3的碳水化合物和木质素，主要来自于植物的细胞壁（中国营养学会）。基于以上定义，膳食纤维包括很多不被人体小肠消化的物质，如纤维素、半纤维素、树胶、-葡聚糖、胶质、木质素、葡聚糖、果聚糖、抗性淀粉和糊精等。1.1.2 膳食纤维的分类1，根据膳食纤维在水中溶解性不同，将其分为2个基本类型，即：水溶性膳食纤维（SDF）与不溶性膳

2、食纤维（NDF）。水溶性膳食纤维（SDF）是可溶于温水或热水，且其水溶液能被4倍95%的乙醇再沉淀的那部分纤维，主要是细胞壁内的储存物质及分泌物，另外还包括微生物多糖和合成多糖，其组成主要是一些胶类物质，如果胶、树胶和粘液等，还有半乳甘露糖、葡聚糖、海藻酸钠、羧甲基纤维素和真菌多糖等，部分半纤维素。不溶性膳食纤维（IDF）是不溶于温水或热水的那部分纤维，主要是细胞壁的组成部分，包括纤维素、部分半纤维素、木质素、原果胶、角质、壳聚糖、植物蜡和二氧化硅及不溶性灰分等。此外，功能性低聚糖和抗性淀粉也普遍认为属于膳食纤维。此部分纤维在中性洗涤剂的消化作用下，样品中的糖、淀粉、蛋白质、果胶等物质被溶解除

3、去后不能消化的残渣。虽然低聚果糖和其它类型的复杂碳水化合物传统意义上并不被认为是纤维，但它们确实符合必要的标准，现在被接受为一些膳食纤维的形式。2，根据在大肠内的发酵程度不同，膳食纤维可分为部分发酵类纤维和完全发酵类纤维。部分发酵类纤维包括：纤维素、半纤维素、木质素、植物蜡和角质等；完全发酵类纤维包括：-葡聚糖、果胶、瓜尔豆胶、阿拉伯胶、海藻胶和菊粉等。一般说来，完全发酵类纤维多属于可溶性纤维，而部分发酵类纤维多属于不溶性纤维，但也有些例外，例如羧甲基纤维（CMC）易溶于水，但几乎不被大肠内的菌群所发酵。1.2 粗纤维粗纤维是植物细胞壁的主要组成成分，包括纤维素、半纤维素、木质素及角质等成分。

4、通常蔬菜、水果、粮谷类所含的食物纤维都叫粗纤维（目前我们国家还没有粗纤维的定义，只是一个习惯称呼而已）。粗纤维是膳食纤维的一部分，在测定中，是植物组织用一定浓度的酸、碱、醇和醚等试剂，在一定温度下，经过一定时间的处理后所剩下的残留物，其主要成分是纤维素和木质素。酸性洗涤纤维（ADF）：用酸性洗涤剂去除饲料中的脂肪、淀粉、蛋白质和糖类等成分后，残留的不溶解物质的总和，包括纤维素、木质素及少量的硅酸盐等。中性洗涤纤维（NDF）：用中性洗涤剂去除饲料中的脂肪、淀粉、蛋白质和糖类等成分后，残留的不溶解物质的总和，包括构成细胞壁的半纤维素、纤维素、木质素及少量的硅酸盐等。1.3 膳食纤维的主要成分1.3

5、.1 不溶性膳食纤维纤维素（Cellulose），是不溶性膳食纤维的基本结构，一种由葡萄糖分子以-糖苷键连接起来的直链聚合物，由300-500个葡萄糖缩合而成，最多能达到1000个葡萄糖单体。自然界分布最广、含量最多的一种多糖，占自然界碳含量50%以上，一般木材中，纤维素占40-50%，还有10-30%的半纤维素和20-30%的木质素。不溶于冷水、热水、烯酸和稀碱溶液。人体内的淀粉酶只能水解-1,4-糖苷键，而不能水解-1,4-糖苷键，因此纤维素不能被人体胃肠道的酶消化；半纤维素（Hemicellulose），是由一些单糖如阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖和木糖混合组成的一种聚合物，是一种具有支链的异

6、质多糖，也不溶于冷水、热水和烯酸，但能溶于稀碱溶液（半纤维素中的某些成分是可溶的，在谷类中可溶的半纤维素被称之为戊聚糖，它们可形成黏稠的水溶液并具有降低血清胆固醇的作用），与烯酸加热时比纤维素更易水解，具有亲水性。原来是从总纤维素中以17.5%NaOH至24%KOH提取出来的多糖成分的总称，而没有相应的特定的化学结构。半纤维木聚糖在木质组织中占总量的50%，它结合在纤维素微纤维的表面，并且相互连接，这些纤维构成了坚硬的细胞相互连接的网络。1.3.2 可溶性膳食纤维果胶（Pectin）：可溶性膳食纤维的一种，许多蔬菜、水果含有果胶，其化学组成与半乳糖醛酸相似。其分子主链上的糖基是半乳醛酸，其侧链

7、上是半乳糖和阿拉伯糖。它是一种无定型的物质，存在于水果和蔬菜的软组织中，可在热溶液中溶解，在酸性溶液中遇热形成胶态，具有与离子结合的能力。-葡聚糖（-glucan）：可溶性膳食纤维的一种，-葡聚糖在结构上是不同于一般多糖（如淀粉、糖原、糊精等）的，因为一般多糖是以1,4-糖苷键联结，而葡聚糖则是以-1,3糖苷键结构为主体，而又一些-1,6键为侧枝，不同于一般糖类的线型分子结构，而是形成螺旋型分子结构。聚葡萄糖（Polydextrose）：聚葡萄糖是由葡萄糖和少量山梨醇、柠檬酸经高温熔融，随机缩聚而成的多糖。聚葡萄糖分子量分布广（162-20000Da），约有90%的聚葡萄糖分子量在504-50

8、00之间，平均聚合度约为12，平均分子量为2000.聚葡萄糖含有的糖苷键种类多，以1,6-糖苷键为主，分子结构比较复杂。甲壳质（Chitin）：又叫甲壳素，是以-1,4-糖苷键相连的线型生物高分子，是自然界中唯一存在的碱性多糖。存在于低等植物菌类、藻类的细胞，高等植物的细胞壁，以及节肢动物（虾、蟹）的甲壳，乌贼的骨架，昆虫的外壳、内脏衬里、筋腱及翅上的覆盖物等。甲壳素与纤维素的化学结构非常相似，分子链为线型直链，不同点在于甲壳素C2上又一个乙酰氨基（CH3CONH-）。甲壳素脱去乙酰基便得到壳聚糖，三者的结构比较，如图所示：抗性淀粉（Resistant Starch，RS）：抗性淀粉是指在健康

9、者小肠中不能被吸收的淀粉及其降解产物，主要存在于整粒和回生的高淀粉类食物中，可被结肠菌群分解为乙酸、丙酸和丁酸等短链脂肪酸（SCFA）及其降解产物，对人体健康有益。RS的分子结构较小，长度为20-25个葡萄糖残基，是以氢键连接的多分散线性聚糖。RS之所以能抵抗酶的水解，是由于聚糖的葡萄糖残基链之间存在较强的氢键，该氢键在155-160时具有40J/g的焓，可能是由于这种聚糖具有型晶体结构。1.3.3 木质素木质素（Lignin），并非多糖，而是以苯丙烷为单位的多聚物，具有复杂的三维结构，非缩合型结构主要有三种，即愈伤木基结构、紫丁香基结构和对羟苯基结构，主要存在于纤维素之间，植物的木质部含有大

10、量木质素，起抗压作用，使木质部维持极高的硬度。在木本植物中的含量为25-30%，是自然界第二丰富的有机物；因为木质素存在于细胞壁中很难与纤维素分离，所以在膳食纤维的组成成分中包括了木质素，人和动物都不能消化木质素。1.4 膳食纤维的生理功能膳食纤维的化学组成和结构决定了其理化性质，虽然膳食纤维在人体内不能被消化吸收，但却具有重要的生理功能。1.4.1 促进胃肠蠕动，减少便秘膳食纤维促进肠胃蠕动，缩短了食糜在肠道内停留时间，加速粪便排出。膳食纤维在肠腔中被细菌产生的酶所酵解，先分解成单糖而后又生成短链脂肪酸。短链脂肪酸被利用后在肠腔内产生CO2并使酸度增加、粪便量增加以及加速肠内容物在结肠内的转

11、移而使粪便易于排出，从而达到预防便秘的作用。1.4.2 清道夫作用由于膳食纤维中含有果胶、树胶、海藻多糖等结构，能明显增加小肠内容物的黏度，膳食纤维含有大量的羟基、羧基等集团，可以有效地减少饮食中的汞、镉、铅等重金属以及亚硝胺、苯并芘等有毒物质在肠道内的吸收；在接近胃pH的条件下，含水溶性纤维较多的水果纤维的吸附能力较强。此外，膳食纤维可抑制厌氧菌的生长和繁殖，有利于肠道有益菌合成供人体利用的维生素。另外，膳食纤维可减少病原菌从后肠向前肠转移，水不溶性膳食纤维对有害物质有较强的吸附毒素和病原菌的能力，还携带有其他生物活性物质，诸如植酸等，可抑制癌症的形成，减少结肠癌的发病率。1.4.3稳定血糖

12、浓度，降低血液胆固醇水平 膳食纤维所形成的粘液在胃中形成胶基层，降低胃的排空率。在肠内阻碍消化酶与实务的接触，减缓小肠收缩，影响葡萄糖的吸收，舒服葡萄糖，降低肠液葡萄糖的有效浓度，影响-淀粉酶对淀粉的降解作用，降低肠液中葡萄糖的释放速度，改善末梢组织对胰岛素的感受性，降低机体对胰岛素的作用，使葡萄糖的吸收率下降。1.4.4 稳定肠道菌群平衡1.4.5 发酵性能厌氧菌与酵母可分解膳食纤维，其发酵情况与细菌可以接触底物的程度和多糖的个体化学结构有关，其中多糖分子中单糖和糖醛酸的种类、数量级成键方式等结构特性很大程度上决定该纤维在肠道内的发酵情况。同一来源的膳食纤维，颗粒小者较颗粒大者更易发酵，单独

13、摄入的较包在基质中的更易酵解。那些可溶的/易发酵的膳食纤维在结肠中被发酵，并为结肠中的微生物提供营养，纤维发酵产生的短链脂肪酸（乙酸、丙酸和丁酸），反过来抑制病原菌的生长，有利于稳定肠道菌群平衡。另外，丁酸可以为结肠黏膜细胞提供能量，促进上皮细胞的增殖，维持肠黏膜的完整性，从而有益于养分的吸收并预防腹泻。肠内的腐生菌易在高pH值环境中生长，结肠内的一些有益菌将膳食纤维降解产生短链脂肪酸，降低肠道内的pH值，从而抑制了腐生菌的生长。1.4.6 膳食纤维具有持水膨胀的特性膳食纤维具有亲水性的极性基团，因而具有持水性和溶胀性。膳食纤维比重小，遇水后体积增大，对肠道产生容积作用，进食后充填胃腔，需要较

14、长时间来消化，延长胃排空的时间，减少动物饥饿引起的异常行为的发生。表1.1 可溶性和不溶性膳食纤维在生理作用方面的差别生理作用不溶性膳食纤维可溶性膳食纤维咀嚼时间延长缩短胃内滞留时间略有延长延长对肠内pH值的影响无降低与胆汁酸的结合结合不结合可发酵性极弱较高肠粘性物质偶有增加增加大便量增加关系不大对大肠癌有预防作用不明显1.5 可发酵膳食纤维的介绍（此部分资料未完善）1.5.1 可发酵膳食纤维膳食纤维的来源非常广泛，包括树（-纤维素），植物提取物（阿拉伯树胶、低聚果糖），水果提取物（柑橘果胶），海藻（大型褐藻、角叉胶）、坚果的壳（花生壳）。从生物学的角度，膳食纤维通过能否被胃肠道细菌利用来分类

15、。被细菌利用的形式被认为是可发酵的并且似乎与改善动物健康有很大关系。目前的证据显示可发酵纤维有益于更改肠道细菌数量，增强肠道免疫力，改善口服葡萄糖耐受性，再分配含氮废物排泄物，被公认为有益健康一个重要的角色。膳食纤维，特别是可发酵品种，大部分贡献在于对胃肠道内细菌繁殖数量的变化。但纤维扮演提升肠道健康的角色是一个复杂的问题，将不是一项轻松的任务，包括细菌和一些变量之间的相互作用。肠道内的一些细菌群体，被认为是有益的，包括双歧杆菌、乳酸杆菌以及一些真细菌类和其他菌群。这些菌群的典型特征是具发酵纤维的能力，被认为比致病菌和腐败菌明显有效。这种能力使得发酵纤维的使用成为选择性促进有益菌而减少有害菌群

16、比例的方法。高密度有益菌对于动物体有很多益处，包括降低癌症的风险，改善血清脂肪形态，增强免疫性作用，改善粪便特征和排便方式。此外，细菌发酵产生的短链脂肪酸被寄主迅速地吸收和利用。1.5.2 胃肠道生态系统（GIT）胃肠道生态系统是为生物的相互作用所建立的模型，可以被应用于更好地了解胃肠道和饮食中添加可发酵性纤维有益于健康的潜能。GIT包括一些明显不同的部分，从胃开始，经小肠快速消化，在大肠长时间滞留。GIT的每一部分都有截然不同的非生物特征，包括与粘膜结构有关的物理特性，蠕动带动的消化流速率，化学特性如pH、电解液及营养物质浓度和消化液等。甚至一个区域内都有变量，比如，小肠的物理化学特性存在由

17、近及远的梯度，消化流动的速率从近到远依次递减。根据小肠的长度，梯度导致了不同生境的存在。肠腔内容物和粘膜之间的细菌同样存在不同。GIT生态系统生境的连续性，使得很难去用排泄物样品来评估发生GIT不同区域的状况和过程。1.5.3 胃肠道生态系统（GIT）内的细菌成人的GIT生态系统包含已知400多种细菌，随着我们培养和鉴定细菌的能力提高，这个数据还会继续增长。以前主要关注于致病菌菌群，主要由于对其它细菌认识得相对较少，而不是因为它们不重要。除细菌以外，GIT的生物部分包括：酵母、真菌类、病毒、螺旋原虫、原生动物、其它各种单或多细胞生物，这种结构的贡献在于限制了细菌。虽然存在于猪GIT中的细菌与人

18、体内的细菌特征不同，但不同种类细菌在数量上与人和其他哺乳动物相当。肠道内各种细菌的相对比例和密度，取决于诸如pH值、蠕动力、饮食中营养成分的浓度和形态、胰腺分泌物、胆囊分泌物、消化道（如胃和肠）分泌物、肠道免疫功能、多糖-蛋白质复合、GIT内里的细胞膜结合位点。因此，GIT的每一个区域和生境都有典型的细菌种类组装。GIT的物理和化学特性发生轻微和不明显差异也能对细菌菌群产生深远影响。相对应地，生长中GIT特性的改变和个体之间的变量可以通过细菌的不同组合反映。细菌的活动和相互作用是决定菌群特性的重要因素。例如，需氧菌和不严格的厌氧菌随着氧气消耗和代谢物产生，生态系统化学特性发生改变，允许专性厌氧

19、菌增殖。这个过程，通过一批生物体改变环境，从而增强其他生物体的增殖，被认为是助长。营养物质的竞争和结合位点同样能影响哪种物种占优势。最近发现特定的GIT细菌产生代谢物和其它化学物质抑制其它物种的生长，这个过程称为抑制。例如乳酸菌（如双歧杆菌和乳酸杆菌）的增殖可以限制一些致病菌和腐败菌的生长。细菌之间的相互作用似乎出生后特别重要，特别是增殖过程。第一个进入并拓殖GIT的细菌被认为改变了环境，允许其他菌群增殖。因而，GIT微生物群经历一系列连续的阶段最终达到成人微生物群。最终的组合反映现存的物理化学条件下组成的物种的耐受性，竞争的相互作用，抑制的影响。1.5.4 可发酵纤维和GIT生态系统成人的微

20、生物群被认为是相对稳定的，然而有证据表明虽然细菌的整体密度保持不变，不同物种的相对比例能够并做出改变去适应内外因素的波动。除了影响GIT的结构和功能特性外，饮食能直接影响存在的细菌。通过GIT细菌有两个基本的方法来检查纤维发酵。1 体外实验混合的培养系统已有效地证实不同类型和来源的纤维的发酵研究。这个方法可作为一种快速的、非扩散性的方法去评估是否特定类型或来源的纤维可被发酵。此外，来自同时进行的体内研究的数据显示体外研究能被用来合理地预测完整生物体的纤维消化力。模拟大肠环境的体内条件，通过发酵特性即培养介质中纤维的消失和因而获得短链脂肪酸的浓度和比例来评估发酵纤维的含量等。依此方法进行研究，需

21、要注意一下几点。能被猪结肠细菌发酵的纤维来源很多，有很宽的变化，不同纤维怎样被排泄物细菌发酵，不同日龄、品种等之间有什么差别，甚至接近的相关的纤维之间在支持发酵的能力方面有差别，也导致不同代谢产物。一般认为，通过设计混合的纤维来源产生特定的短链脂肪酸比例是可能的。特别是，通过发酵纤维产生的三种主要SCFA被不同的组织优先用作代谢底物，结肠吸收丁酸盐，肝脏吸收丙酸盐，神经组织吸收醋酸盐。初步认为，建议当选择特定类型和来源的纤维时，需要考虑有益菌和有害菌利用纤维作为底物的相关能力。在收集粪便样品之前，给动物喂食会影响发酵过程的强度和特性。已有用不同来源的蛋白质喂狗对GIT细菌体外活动的影响的报道。

22、2 体内试验一些利用体内试验研究饮食或纤维对动物GIT的影响，由于GIT宿主、内存的细菌和饮食的摄入之间复杂的相互作用使得结果往往难以解释。比如，由于SCFA能被很快吸收，SCFA的浓度和形态通过粪便样品甚至是内腔内容物衡量，均不足以准确反映细菌发酵。尽管有这些和其它的研究限制，体内试验产生的结果还是能提供一些有用的信息。1.6 膳食纤维的改性方法介绍通过原料的不同配比改善膳食纤维中不同组分的比例，而通过不同方法对膳食纤维进行改性，可以改变膳食纤维的物理及化学特性，提高其品质及利用效率。1.6.1 超微粉碎技术：超微粉碎技术是利用动力学及流体力学克服物料内部凝聚力使物料破碎的方法。分为微米级粉

23、碎、亚微米级粉碎、纳米级粉碎。经研究发现，超微粉碎技术在改性膳食纤维方面有以下优点：改善膳食纤维的物化特性，对其膨胀力、持水性以及结合水能力等方面有显著效果，增加纤维质的可溶性；使其具有良好的乳化性、增稠性；提高其生物活性；改善使用品质，保证物料完整性。陈存社研究过此法对小麦胚芽膳食纤维物化性质的影响，发现经过超微粉碎后可将其持水性及膨胀力大大增加。1.6.2 挤压蒸煮技术：挤压蒸煮技术指膳食纤维经高温、高压及剪切使连接膳食纤维分子的化学键断裂，发生分子裂变，使膳食纤维彻底微粒化。经挤压蒸煮改性后的膳食纤维有以下优点：营养和风味得到较大改善；提高膳食纤维的可溶性；消化率得到提高；改善其生理活性

24、；生产率高，成本低，无三废污染。据报道，对苹果渣进行热处理、酸碱处理、挤压处理比较得出挤压处理使苹果渣中的可溶性膳食纤维含量得到了最大程度的提高。1.6.3 瞬时高压技术：瞬时高压技术是以微射流均质机为物质基础的瞬时高压作用，是集混合、超微粉碎、加温、加压、膨化等多单元操作作为一体的一门全新技术，对膳食纤维的改性起着重要作用，使可溶性膳食纤维的含量增加，还有杀菌作用，从而延长货架期。1.6.4 发酵法：发酵法主要利用微生物发酵和动态超高压均质处理，消耗原料中的碳源、氮源，以消除原料中的植酸，减少蛋白质、淀粉等成分，产生大量的短链脂肪酸膳食纤维生理功能发挥的重要物质，从而改善膳食纤维的持水力等物

25、化特性。同非发酵的膳食纤维相比，发酵的同类产品口感香甜，溶胀性和持水性明显高于原料和化学方法制得的产品。1.6.5 综合方法：通常为酶法水解淀粉；碱法水解蛋白质和脂肪，蛋白质在碱的作用下降解为可溶性的小分子肽和游离氨基酸，脂肪通过皂化反应水解为甘油和脂肪酸的盐类，从而被清除；结合挤压膨化方法将其改性，最后再用超微粉碎技术将其粉碎，最终达到改性膳食纤维，提高其风味和口感的目的。二.膳食纤维的检测方法膳食纤维的测定方法有很多种，国内外常用的方法主要有两类洗涤剂法和酶分析法。洗涤剂法是将样品中可消化成分蛋白质和淀粉通过酸性洗涤剂或中性洗涤剂相互作用而分开，处理后的残渣与灰分的差值即为“洗涤剂纤维”。

26、“洗涤剂纤维”中主要是不溶于洗涤剂溶液中的膳食纤维部分，包括纤维素、半纤维素和木质素等成分。洗涤剂法包括粗纤维（CF）法、酸性洗涤纤维（ADF）法和中性洗涤纤维（NDF）法。洗涤剂法的缺点是不能测定可溶性膳食纤维。从本质上讲，CF的方法检测到木质素和纤维素；ADF的方法检测到木质素、纤维素和酸不溶性半纤维素；NDF的方法检测到木质素、纤维素和中性洗涤剂不溶性半纤维素。酶分析法是利用酶的处理使得可被人体利用和吸收的组分部分去除。根据重量分析测定那些未被水解的残留部分即是膳食纤维。2.1 膳食纤维检测方法2.1.1 酶-重量法此法自20世纪80年代在国外发展起来，现在已得到广泛认可。主要用-淀粉酶

27、、蛋白酶、葡萄糖苷酶将样品中的酶和蛋白质降解为低分子物质，酶解后的样品用乙醇洗涤，沉淀物用乙醇和丙酮洗去，除去脂质，得到的残渣干燥后称量，可同时测定不溶性膳食纤维和可溶性膳食纤维的含量，且酶的专一性高、快速，具有分析结果稳定、可重复性好、准确率高、所用设备较少等优点，但过程比较复杂，影响因素较多，操作不方便且成本高。2.1.2 酸性洗涤法利用酸性洗涤剂（2%十六烷基三甲基溴化铵溶液）的作用除去膳食纤维中可消化部分，即最大程度地除去淀粉、蛋白质和半纤维素等成分，又不能破坏非淀粉碳水化合物与木质素的存在与性质。所得到的为酸性洗涤剂纤维，主要包括纤维素和木质素两种成分（酸性洗涤纤维）。2.1.3 中性洗涤法采用中性洗涤剂（3%十二烷基硫酸钠溶液）除去淀粉和蛋白质，所得到的为中性洗涤剂纤维，主要包括纤维素、不溶